KR20180035347A - 과열방지구조를 적용한 이중창구조의 태양열투과체 - Google Patents

과열방지구조를 적용한 이중창구조의 태양열투과체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과열방지구조를 적용한 이중창구조의 태양열 투과체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 일사가 있는 경우에는 기존의 집열기와 마찬가지로 태양열 에너지를 획득하며, 일사량이 부족하거나 야간시에는 공기열 에너지를 획득할 수 있어 24시간 에너지 획득이 가능한 특징이 있는 태양열 투과체에 관한 것이다.
이는, 선팽창 계수가 상이한 이중창 구조의 집열기 투과창을 제공하여, 선팽창 계수가 상이한 이중창 투과체가 온도가 상승함에 따라 내측의 선팽창계수가 크게 형성된 평판 투과체가 일정온도 이상에서는 외측 상부의 유리투과창에 면접촉함으로 인해 열교현상(Thermal Bridge)을 통해 투과체의 전체적인 열관류량을 높아지도록 형성하여, 고온에서의 집열기의 효율을 선택적으로 제어하는 효과를 제공하는 것이다.
이는 집열기가 고온에서 가동시 내측의 투과창이 외측의 투과창과 접촉하도록 하여, 집열기 내부의 과열온도가 외측으로 방출시켜서, 과열을 방지하도록 하는 잇점이 있는 것이다.
이중창 구조의 집열기의 경우에는 하절기 과열로 인해 집열기 투과체 및 각 부품의 온도가 급상승하여 집열기의 내구성 저하의 원인이 되므로, 본 발명의 이중창 구조는 투과체의 온도에 따라 집열기 투과창의 열관류 손실을 선택적으로 증가시켜 집열기의 효율을 저하시키고 내부의 온도를 떨어뜨려 각 구성의 불필요한 열화를 억제하여, 집열기의 내구성을 높이는 효과가 있는 것이다.
또한, 하절기 태양복사량이 많고 부하량이 적을 경우에는 투과체의 열관류율를 증가시켜 에너지 획득량을 줄일 수 있고, 동절기 태양복사량이 적고 부하량이 클 경우에는 투과체의 열관류율를 감소시켜 에너지 획득량을 증가시켜서, 선택적 으로 에너지 획득량 제어 가능한 효과를 제공하는 것이다.

Description

과열방지구조를 적용한 이중창구조의 태양열투과체{Transmit double structure of solar thermal for prevention of overheating}
본 발명은 과열방지구조를 적용한 이중창구조의 태양열투과체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 이중창 구조의 집열기에 있어 투과체가 선택적으로 에너지를 방열할 수 있도록 디자인되어 있어, 부하량이 적거나 하절기 일사량이 너무 높을 경우 집열기 투과창을 통해 집열된 에너지를 선택적으로 방열할 수 있는 기능을 갖는 이중창 구조의 태양열 투과체에 관한 것이다.
이로 인해 다양한 적용 범위에 적용할 수 있는데 기존 집열기처럼 온수 급탕용으로 사용할 수 있음은 물론 일사가 없을 경우나 야간시에는 획득된 공기열 에너지를 히트펌프의 열원으로 이용하여 온수를 생산할 수 있어 집열기의 경제성 및 효율성이 획기적으로 높아지도록 하며, 이러한 구조로 인해 하절기 집열기의 과열시 집열기 내의 과열된 온도를 별도의 동력장치가 없어도, 외부로 방출시키는 태양열 투과체를 제공하여 집열기를 냉각하여 과열에 의해 파손 등 집열기 내구성을 높일 수 있는 과열방지구조를 적용한 이중창구조의 태양열투과체에 관한 것이다.
일반적으로 태양열 집열기는 옥외에 설치하여 태양열 에너지를 열매체를 이용하여 저장가능한 열에너지로 축척하기 위해 사용하는데, 단일 목적(열에너지 획득)의 제품으로 태양빛 에너지를 열에너지로 변환하여 이를 난방, 급탕, 냉방의 열에너지로 활용하는 기술이다. 때문에 태양에너지가 부족한 환경에서는 에너지를 획득할 수 없는 단점이 있다.
이를 해소하기 위한 수단으로 일부 제품들은 투과체가 없는 Un-Grazing 집열기를 제작하여 비교적 낮은 온도의 온수를 생산하여 히트펌프의 증발부 열원으로 이용하거나 미국 같은 국가에서는 수영장 혹은 풀장의 가열용으로 활용하고 있다.
하지만, 이런한 집열기는 단열손실이 크기 때문에 우리나라와 같이 외기온도가 낮은 기후에서는 적용이 곤란하다.
여기서, 태양열을 이용한 집열기는 크게 평판형과 진공관형으로 크게 구분되는데, 상기 평판형 태양열 집열기의 후레임은 상판과 하판 몸체가 사각형상의 박스 형태로 이루어 졌으며, 태양열 집열기의 흡수판은 구리나 알루미늄 등을 이용하여 제작된 얇은 금속판에 태양 광선을 최대한 흡수할 수 있도록 표면을 특수 코팅 처리 되었고, 상기 집열판의 일측 표면에 동재질인 다수개의 가는 지관을 일정간격으로 주관에 용접시켜서 사각형상의 틀체 내에 삽입시키고 그 상부로 투명덮개를 씌어 일체의 집열기를 형성하게 된다.
태양열 집열기는 태양복사에너지를 흡수하여 열변환하는 장치로 그 구성은 크게 투과체, 흡수체, 배관부, 단열체, 케이스로 구성되어 있다. 집열기의 효율을 높이기 위해서는 광흡수율을 높이고 열손실을 줄이는 기술이 필요하다.
종래의 집열기는 태양열 집열기의 투과창으로 단창(Mono-Wall) 투과체를 사용하였으나 최근 들어 집열기의 고온 효율을 높일 목적으로 이중창(Double-Wall) 투과체를 적용하고 있는 실정이다.
종래의 유리-유리 구조의 이중창 집열기 투과체는 투과창의 재료가 동일한 재료를 사용하였으며 이로 인해 재료의 선팽창계수가 동일한 특징이 있어서, 집열기가 저온에서 동작할 경우에나, 고온에서 동작할 경우에도 동일한 팽창율을 나타내므로 집열기 투과체의 변화가 없어 열효율이 변함없이 동일한 특징을 보인다.
이중창 구조의 투과체를 적용한 집열기는 열손실면에서 월등이 높은 성능을 나타내므로 집열기의 효율을 높일 수 있지만, 부하량이 적거나, 하절기에는 집열기의 과열문제가 발생하여 이중창 구조의 투과체를 적용할 경우 집열기 시스템의 과열을 해소할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
특히 한국과 같이 하절기 일사량이 높고 부하량이 적은 기후조건에서 이러한 이중창 구조의 투과체를 적용한 집열기는 과열 문제를 피하기 어려운 문제점이 있다.
태양열 집열기는 집열을 위해 대면적의 열전달이 높은 흡수판을 보유하고 있으나, 하절기의 필요 이상으로 집열기 내부가 과열되어 과열에 의해 집열기가 파손되어 집열기 내구성이 약화지며, 집열기의 수명이 단축되거나, 교체 수리가 잦게되어, 그 활용이 제한되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1084569호
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 이중창 구조의 투과체를 적용함에 있어서, 이중창 집열기의 단점을 해소하기 위해서 선팽창 계수가 상이한 투과체 이중구조를 적용하여 선택적으로 에너지를 방열할 수 있도록 하여 집열기의 과열문제를 구조적으로 해소하는 태양열 투과체의 이중창구조를 제공하고자 하는 것이다.
이중창 구조의 집열기에 있어 투과체가 선택적으로 에너지를 방열할 수 있도록 디자인되어 있어, 부하량이 적거나 하절기 일사량이 너무 높을 경우 집열기 투과창을 통해 집열된 에너지를 선택적으로 방열할 수 있는 기능을 갖는 이중창 구조의 태양열 투과체를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 집열기 내부에는 아무런 동력장치가 없어도 하절기 집열기의 과열시 집열기 내의 과열온도를 외부로 배출함으로써, 집열기를 냉각하여 과열에 의해 파손 등 집열기 내구성을 높일 수 있는 집열기를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 태양열 집열기의 태양열 투과체에 있어서, 상기 투과체는 외측에 유리평판으로 형성시키고, 상기 유리에 이격되어 내측에 선팽창 계수가 상대적으로 크며, 태양열이 투과되는 평판을 형성시키도록;이루어진 과열방지용 선팽창 계수가 상이한 태양열 투과체의 이중창구조를 제공하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 과열방지구조를 적용한 이중창구조의 태양열투과체를 제공하여, 선팽창 계수가 상이한 이중창 투과체가 온도가 상승함에 따라 내측의 선팽창계수가 크게 형성된 평판 투과체가 일정온도 이상에서는 외측 상부의 유리투과창에 면접촉함으로 인해 열교현상(Thermal Bridge)을 통해 투과체의 전체적인 열관류량을 높아지도록 형성하여, 고온에서의 집열기의 효율을 선택적으로 제어하는 효과를 제공하는 것이다.
이는 집열기가 고온에서 가동시 내측의 투과창이 외측의 투과창과 접촉하도록 하여, 집열기 내부의 과열온도가 외측으로 방출시켜서, 과열을 방지하도록 하는 잇점이 있는 것이다.
이중창 구조의 집열기의 경우에는 하절기 과열로 인해 집열기 투과체 및 각 부품의 온도가 급상승하여 집열기의 내구성 저하의 원인이 되므로, 본 발명의 이중창 구조는 투과체의 온도에 따라 집열기 투과창의 열관류 손실을 선택적으로 증가시켜 집열기의 효율을 저하시키고 내부의 온도를 떨어뜨려 각 구성의 불필요한 열화를 억제하여, 집열기의 내구성을 높이는 효과가 있는 것이다.
또한, 하절기 태양복사량이 많고 부하량이 적을 경우에는 투과체의 열관류율를 증가시켜 에너지 획득량을 줄일 수 있고, 동절기 태양복사량이 적고 부하량이 클 경우에는 투과체의 열관류율를 감소시켜 에너지 획득량을 증가시켜서, 선택적 으로 에너지 획득량 제어 가능한 효과를 제공하는 것이다.
도 1은 일반적인 태양열 집열기를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 태양열 투과체의 평면을 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 태양열 투과체의 측면을 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명의 태양열 투과체의 보강구를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 평판이 유리면에 접촉되는 과정을 나타낸 개략도.
도 6은 본 발명의 평판이 유리면에 접촉되며, 발생되는 열관류 시뮬레이션 결과를 나타낸 도표.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은
태양열 집열기(100)의 태양열 투과체(50)에 있어서,
상기 투과체(50)는
외측에 유리(10)평판으로 형성시키고, 상기 유리(10)에 이격되어 내측에 선팽창 계수가 상대적으로 크며, 태양열이 투과되는 평판(20)을 형성시키도록;이루어진 과열방지구조를 적용한 이중창구조의 태양열투과체에 관한 것이다.
또한, 상기 평판(20)은 자중에 의하여 처지지 않도록 다수개의 보강리브(21)가 절곡되어 일체로 형성되며, 상기 유리(10)방향으로 오목하게 굴곡되도록 형성되며, 온도증가시에 길이가 증가되어 상기 유리(10)에 면접촉되도록 ;이루어진 것이다.
또한, 상기 평판(20)의 재료는 태양열이 투과되는 재질인 폴리머로 이루어진 것이다.
이하, 도 1 내지 도 6을 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명하도록 한다
도 1에 나타난 바와 같이, 일반적인 태양열 집열기(100)는 태양열 투과체, 집열판과, 유체파이프와, 단열재로 구성되는데, 상기 집열기(100)는 직접 건물 등에 부착되거나 받침대 같은 시설물에 의해 건물에 설치되고, 그렇게 설치된 집열기(100)는 태양에너지의 열을 흡수하여 열원을 필요한 곳에 전달함으로써, 난방, 온수 등에 사용되며, 그렇게 사용된 열원은 다시 집열기(100)에 리턴되어 태양에너지의 열에 의해 가열되는 방식으로 순환된다.
상기 태양열 집열기(100)는 내부 공간이 중공되어 구성품이 구비되고, 상기 태양열 집열기(100)는 통상적으로 직사각형의 박스 형태로 상부면이 외부와 관통 형성된다.
여기서, 상기 상부면은 태양열 투과체(50)에 의해 차단되는데, 이때, 상기 태양열 투과체(50)는 일반적으로 유리판(10)으로 이루어 며, 이는 외부에서 빗물, 이물질 등이 케이스 내에 유입되지 않도록 밀봉되어 연결되며, 집열판으로 태양열이 집열되도록 태양열이 투과되는 재질로 이루어진다.
집열기(100)의 구성품으로는 내부에 구비되되 태양에너지를 집열하도록 유리판(10) 하측에 형성되는 집열판과, 상기 집열판에 내부에 일체형으로 부착되어 집열판으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 다수개의 파이프와, 상기 집열판과 파이프등을 받쳐주도록 하판 몸체의 하단부에 내장되는 단열재로 구성된다.
집열판에서 획득된 열에너지는 집열판에 부착된 파이프로 열전달이 이루어지며 이를 통해 외부로 열전달되는 것이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명은 상기 태양열 집열기(100)의 태양열 투과체(50)에 관한 것으로서,
상기 투과체(50)는
외측에 유리(10)평판으로 형성시키고, 상기 유리(10)에 이격되어 내측에 선팽창 계수가 상대적으로 크며, 태양열이 투과되는 평판(20)을 형성시키도록;이루어진 과열방지용 선팽창 계수가 상이한 태양열 투과체의 이중창구조에 관한 것이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 이는 태양열이 투과체(50)를 통해 집열기(100) 내부로 전달되면서, 내부의 온도가 일정이상으로 증가되면, 유리(10)보다 선팽창계수가 큰 재질인 평판(20)이 열팽창되어, 체적의 변화가 시작되는 것이며, 계속적으로 내부온도가 증가되면, 서서히 유리(10)을 향하여 접촉되기 시작되며, 온도의 증가에 의하여 유리(10)와의 접촉면적이 증가되는 것이며, 여기서 유리(10)재질의 특성상 과열온도에서도 일반적으로 열적인 길이팽창은 발생되지 않는 것이며, 내측의 위치한 평판(20)만이 길이 팽창이 발생되는 것이며, 이를 위한 재질은 임의로 선택될수 있는 것이다.
본 발명은 선 팽창계수가 상이한 이중창 구조의 집열기 투과체(50)를 형성하여, 집열기(100)가 고온에서 가동시 내측의 투과창과 외측의 투과창과의 상호간에 선팽창 계수가 상이한 이중창 투과체가 온도가 상승함에 따라 내측의 투과체가 일정온도 이상에서는 외측의 유리투과창 부분에 접촉함으로 인해 열교현상(Thermal Bridge)을 통해 투과체(50)의 전체적인 열관류량을 높아지도록 형성시키고, 이러한 구조체를 적용하면 고온에서의 집열기의 효율을 선택적으로 제어할 수 있도록 하는 것이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 일실시예로서, 평판(20)으로서, 폴리머 종류인 폴리카본네리트를 선택하여, 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
유리에 폴리머의 접촉면적비율이 증가할수록, 열관류율이 증가되며, 단열성능이 감소되는 것을 알수 있으며, 이는 집열기(100)의 내부온도가 증가할수록 폴리머가 유리에 접촉되는 면적이 증가하게 되며, 이를 통하여, 단열성능이 감소하게 되며, 내부온도가 접촉면을 통하여 외부로 방출되는 것을 의미하며, 과열시에 계속적으로 내부온도가 방출되어, 내부의 온도를 일정하게 유지하여, 과열이 자동적으로 방지 되는것이다. 상기 도 6에 나타난 유리에 폴리머의 접촉면적비율에 대한 의미는 전체 유리면적에 폴리머가 접촉되는 면적을 의미한다.
도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 상기 평판(20)은 자중에 의하여 처지지 않도록 다수개의 보강리브(21)가 절곡되어 일체로 형성되며, 유리(20)보다 상대적으로 선팽창계수가 큰 재질인 평판(20)은 구조적으로 약하기 때문에 자중으로 처질수 있기 때문에, 보강리브(21)을 일체로 절곡되게 형성하여, 자중처짐현상을 방지하는 것을 특징으로 하는 것이며, 초기에 상기 보강리브(21)의 선단이 유리(20)면에 접촉되거나, 접촉되지 않거나 하는 것은 본 발명의 특징과는 상관하지 않으며, 자중으로 인한 처짐현상을 방지하기 위한 것으로 제한된다.
또한, 도 3 및 도 5에 나타난 바와 같이, 초기에 상기 평판(20)을 상기 유리(10)방향으로 오목하게 굴곡되도록 형성되도록 하며, 태양열에 의하여, 집열기 내부 온도가 점점 증가되면, 평판(20)의 길이가 점차로 증가하게 되고, 상기 유리(10)방향으로 점차로 굴곡되며, 길이가 팽창되어, 서서히 유리에 대한 면접촉이 증가되도록 ;이루어진 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 평판(20)의 재료는 태양열이 투과되는 재질인 폴리머로 이루어진 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.
10:유리
20:평판 21: 보강리브
50: 투과체
100: 집열기

Claims (4)

  1. 태양열 집열기(100)의 태양열 투과체(50)에 있어서,
    상기 투과체(50)는
    외측에 유리(10)평판으로 형성시키고, 상기 유리(10)에 이격되어 내측에 선팽창 계수가 상대적으로 크며, 태양열이 투과되는 평판(20)을 형성시키도록;이루어진 것을 특징으로 하는 과열방지용 선팽창 계수가 상이한 태양열 투과체의 이중창구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평판(20)은 자중에 의하여 처지지 않도록 다수개의 보강리브(21)가 절곡되어 일체로 ;이루어진 것을 특징으로 하는 과열방지구조를 적용한 이중창구조의 태양열투과체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 평판(20)은 유리(10)방향으로 오목하게 굴곡되도록 형성되며, 온도증가시에 길이가 증가되어 상기 유리(10)에 면접촉되도록 ;이루어진 것을 특징으로 하는 과열방지구조를 적용한 이중창구조의 태양열투과체.
  4. 상기 제1항 내지 제3항 중, 어느 한 항에 있어서,
    상기 평판(20)의 재료는 태양열이 투과되는 재질인 폴리머로;이루어진 것을 특징으로 하는 과열방지구조를 적용한 이중창구조의 태양열투과체.
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